JPH09511092A - 電子ビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電子ビーム発生装置であって、電子を放射するカソード（１）と、ビーム軸（５）に沿って位置定めされた、電子からなる電子ビーム（６）の通過のためのアノード孔（４）付きのアノード（３）と、カソード（１）とアノード（３）との間に配置された電子ビーム（６）の制御のためのウェーネルト電極とから成り、ここでカソード（１）、アノード（３）及びウェーネルト電極（２）は、真空室内に設けられている電子ビーム発生装置に関する。カソード（１）及びウェーネルト電極（２）は、、ビーム軸（６）に対してほぼ垂直方向にアノード（３）に対して相対的に移動可能に設けられている。カソード（１）の近傍に、磁気的保護装置（７）が配置されており、該装置は、電子ビーム（６）の領域にて、ビーム軸に対してほぼ垂直に延びている静的横方向磁場を生成する。該磁場によっては、カソード（１）から到来する電子ビーム（６）がビーム軸（５）から偏向せしめられ、ここで、カソード（１）及びウェーネルト電極（２）は、電子ビーム（６）の偏向方向に対（向）して次のようにずらされており、及び／又は、横方向磁界（９）の磁界強度が次のように選定されており、即ち、偏向された電子ビーム（６）がアノード（３）領域内で再びビーム軸（５）内を延びるように構成されているのである。前記の手段により、残留分子のイオン化により生成される、カソード（１）に照射されるイオンの数が低減され、それにより、有利にカソード（１）の耐用寿命期間が高められる。

Description

【発明の詳細な説明】 電子ビーム発生装置 本発明は、電子ビーム発生装置に関するものであり、該電子ビーム発生装置は 、電子を放射するカソードと、ビーム軸に沿って位置定めされた、電子からなる 電子ビームの通過のためのアノード孔を備えたアノードと、カソードとアノード との間に配置された電子ビームの制御のためのウェーネルト電極、とから成り、 前記のカソード、アノード及びウェーネルト電極は、真空室内に設けられている 。 電子ビーム発生装置は、機械加工用の電子ビームー機器において使用される。 例えば、複製技術における凹版用の印刷版の彫刻のため又はテキスチャロール（ 明）上の表面構造の彫刻のための電子ビーム彫刻装置において、使用され、上記 彫刻装置においては、圧延装置にて品質改善のため金属薄板が加工される。 印刷版又はテキスチャロール（胴）用の電子ビーム−彫刻装置がＤＥ−Ａ−４ ０３２９１８から公知である。電子ビーム−彫刻装置は、実質的に、第１の真空 室と第２真空室とからなり、第１真空室中には、電子ビーム発生器及び電子に対 する電気光学的系（システム）が収容されており、また第２真空室中には、印刷 版型又はテキスチャロール（胴）が電子ビームによる 彫刻のため配置される。電子ビーム発生器は、実質的にカソード、アノード孔付 きのアノード及びウェーネルト電極から成る。電子ビームを生成する電子は、被 加熱カソード（これは高電圧電位におかれる）から放射され、そして、アノード （これは例えば零電位におかれる）の方向に向かって加速される。電子ビームは 、アノード孔を介して、電気光学的制御系（システム）に供給され、そして、次 いで第１真空室内の開口部を通って、作業室としての第２真空室内に入り、それ により、印刷版又はテキスチャロール（胴）を加工する。 電子ビーム−機器、例えば、電子ビーム−彫刻装置（これはｋＶ−領域の高電 圧及び高真空で作動される）の場合電子ビーム−発生器では、残留分子イオン化 により生成されるイオンが発生する。それらのイオンは、カソードへ加速され、 そして材料除去によりカソードを破壊し、ここで、殊に、加速空間に由来する、 カソード直前に形成されるイオンがカソードの破壊に関与する。イオン衝撃によ るカソードの破壊によっては、電子ビーム−発生器にて、保守作業を屡々行うこ とが必要となり、上記保守作業では、破壊されたカソードが新しいカソードと交 換されねばならない。そのような（斯様な）保守作業によっては、電子ビーム− 機器の作動停止を来す。さらに、イオン衝撃により惹起された材料除去により、 放射面（エミッション面） が縮小され、そして、電子ビームの特性的電流密度が不都合に変化せしめられる 。 本発明の課題とするところは、カソードの有効（利用可能）時間が増大され、 それにより、ほぼ保守の不要な作動が可能になるように、電子ビーム発生装置を 改良することにある。 上記課題は、請求の範囲１に規定された構成要件により解決される。 有利な発展形態は、サブクレームに示されている。 本発明を図を用いて詳述する。 図１は、電子ビーム発生装置の構成を略示する。 図２は、電子ビーム発生装置を、ビーム軸を中心として９０°回転して示す断 面図である。 図３は、磁気的イオンセパレータ（分離器）の１実施例を示す。 図１は、電子ビーム発生装置の構成を、ビーム軸の方向で見て略示する。 電子ビーム発生装置はカソード１と、リング状のウェーネルト電極２と、アノ ード孔付きアノード３とから成り、それらは、ビーム軸５に沿って位置定めされ ており、図示してない真空室内に配置されている。カソード１としては、例えば 直接又は間接的に加熱されるタングステンから成る帯状カソードが使用される。 カソード１は、例えば−３５ＫＶの電位におかれ、ウェーネルト電極２は、−35 .6ＫＶにおかれ、アノード ３は、零電位におかれる。電子ビーム６を形成する電子は、カソード１の放射（ エミッション）面から放射（エミッション）され、ウェーネルト電極２を通過し 、そして、アノード３の方向に加速される。電子はアノード孔４を通って電子ビ ーム発生装置を出て行く。ウェーネルト電極２又は、ビーム流の制御のために使 用されるウェーネルト電極２に対する制御電圧の所定の値の場合、カソード１か らは電子は、放射（エミッション）されない、換言すれば、電子をアノード３の 方向に加速するような、アノード３に向けられた電界ベクトルは存在しない、低 下された制御電圧のもとで、アノード−通過作用（パンチスルー）が増大し、そ して、カソード１の放射（エミッション）面の益々大になる領域がイネーブリン グされる（解放される）。 電子ビーム発生装置では、残留気体（ガス）分子のイオンによりイオンが生じ 、該イオンは従来の電子ビーム発生器では、カソード１へ加速される。イオン衝 撃により生じる材料除去により、カソード１の活性的放射（エミッション）面が 縮小され、そして、電子ビーム６の特性的ビーム電流プロフィールが不都合な変 化を受ける。ここで、殊に、カソード１とアノード３との間の加速空間に由来す るイオンがカソード１の破壊に関与する。 電子ビーム発生装置は、本発明によれば、磁気的カソード保護装置７を有する （以下磁気的イオンセパレ ータ７と称する）。磁気的イオンセパレータ７は、図１に示す実施例では、カソ ード１の近傍に配置され、これに対してセンタリングされており、ウェーネルト 電極２と構成上統合化されている。 カソード１、磁気的イオンセパレータ７及びウェーネルト電極２は、１つのビ ーム発生ユニット８にまとめられており、該ユニットは、真空室内にビーム軸５ に対して垂直方向にアノード３に対して相対的に移動可能に支承されている。移 動可能なビーム発生ユニット８の構成は、次のように設計されている、即ち、精 確な位置定めが、真空室外に設けられた操作素子により作動中でも行われ得るよ うに設計されている。 磁気的イオンセパレータ７は、ビーム軸５に対してほぼ垂直方向に、ないし電 子の運動方向に対して垂直方向に延びる横方向静磁界９を生じさせ、図１中幾つ かの磁力線を示す。横（方向）磁界９は電子ビーム６の領域でカソード１とアノ ード３との間で、有利にはカソード平面内で作用する。横（方向）磁界９の磁界 強度は、アノード孔４の方向で減少する。有利には、カソード１の近傍での磁界 強度は、最大値を有し、次いで、アノード３の方向で著しい低下を呈し、アノー ド３の領域で、小さなほぼ一定の値を有する。 磁気的イオンセパレータ７にて生ぜしめられる磁界９は、電子お、ローレンツ 力に基づき横方向磁界９に対して垂直方向に、換言すれば図平面に対して垂直方 向にビーム軸５のところから偏向する。これに対して、イオンは、比較的大きな 質量のため横方向磁界９によってはたんにわずかしか影響を受けず、電界に追従 し、それにより、電子ビーム６の電子からのイオンの分離が達成される。電子の 偏向によってはアノード３への軌道経路上で電子ビーム６の曲がりが生ぜしめら れ、このことは図２に示す。 図２は、図１における表示位置状態に比してビーム軸５を中心として９０°回 転された位置で断面図で示す。亦、図示してあるのは、磁気的イオンセパレータ の横方向磁界９による電子ビーム６の偏向に基づくカソード１とアノード３との 間の電子ビーム６の湾曲軌道経路１０である。 カソード１、磁気的イオンセパレータ７及びウェーネルト電極２から成るビー ム発生器ユニット８は、ビーム軸５に対し垂直方向に、ビーム軸５外にずらされ （変位され）て配置されており、それにより、ビーム軸５は、もはや、ウェーネ ルト電極２の開口部及びカソード１を通る軌道経路をとることがないようになり 、ウェーネルト電極２の電極面を通る軌道経路をとるようになる。 アノード３に対して相対的なビーム発生ユニット８のずれ（変位）及び／又は 横方向磁界９の磁界強度は次のように選定されている、即ち、湾曲した電子ビー ム６がアノード３の領域にて再びビーム軸５内に入り 込み（流れ込み）、次いで、アノード孔４内でビーム軸５自体（の領域）内に延 びるように選定されている。 本発明の手段によっては、有利には次のことが達成される、即ち、イオンの大 部分が、それの比較的大きな質量慣性に基づき電子ビーム６の湾曲経路軌道に追 従せず、不都合な仕方でカソード１には当たらないで、イオン軌道経路１１上で 真直ぐにビーム軸５の方向に飛走し、ここで、ビーム発生ユニットのずれ（変位 ）の故にウェーネルト電極２に当たることが達成される。従って、カソード１の 比較的わずかなイオン衝撃により有利には次のことが達成され、即ち、作動時間 ないし耐用寿命期間、換言すれば、カソード１の利用可能時間が決定的に延長さ れることが達成される。さらに、カソード１の放射（エミッション）面からの均 一な材料除去、ひいては、電子ビームの改善されたビーム電流プロフィール６が 達成される。 図３は、ビーム軸に対して垂直方向での断面図で磁気的イオンセパレータ７の １実施例を示す。 磁気的イオンセパレータ７は、例えば、２つのＵ字状磁極片２を有し、該磁極 片の脚部１３は、相対向し、相互に離隔し合っていて、その結果空隙（エアキャ ップ）１４が形成される。一方の空隙（エアキャップ）１４ａ中には、永久磁石 １５が配置され、該永久磁石は、他方の空隙（エアキャップ）１４ｂ中に、空隙 （エアキャップ）１４ｂ外に延びる漏洩磁界１７を有するほぼ均質な磁界１６を 生じさせる。 電子ビーム発生器中では、磁極片１２及び永久磁石１５から成るユニットがビ ーム軸５に対して垂直方向に配向されており、ここで、ビーム軸５が空隙（エア キャップ）１４ｂを通り、漏洩磁界１７がカソード平面内で横方向磁界９を生じ させるように配向されている。 磁極片１２は、例えば軟鉄から成る。永久磁石１５は、高温に加熱されるカソ ード１の近傍の位置関係の故に高い熱負荷を受けるので、次のような磁性材料を 使用しなければならない、即ち、それの磁気的特性が温度とのわずかな可逆的依 存性を有する磁性材料を使用しなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール−ハインツ ヘルマン ドイツ連邦共和国 Ｄ−72127 ヴァンク ハイム ライヒベルクシュトラーセ 60 (72)発明者 ヴィルフリート ヘルマン ニシュ ドイツ連邦共和国 Ｄ−72072 テュービ ンゲン ビスマルクシュトラーセ 20 【要約の続き】 界（９）の磁界強度が次のように選定されており、即 ち、偏向された電子ビーム（６）がアノード（３）領域 内で再びビーム軸（５）内を延びるように構成されてい るのである。前記の手段により、残留分子のイオン化に より生成される、カソード（１）に照射されるイオンの 数が低減され、それにより、有利にカソード（１）の耐 用寿命期間が高められる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子ビーム発生装置であって、電子を放射するカソード（１）と、ビーム軸 （５）に沿って位置定めされた、電子からなる電子ビーム（６）の通過のための アノード孔（４）を備えたアノード（３）と、カソード（１）とアノード（３） との間に配置された電子ビーム（６）の制御のためのウェーネルト電極とから成 り、前記のカソード（１）、アノード（３）及びウェーネルト電極（２）は、真 空室内に設けられている電子ビーム発生装置において、 残留分子のイオン化により生成されるカソード（１）に照射されるイオンの 数の低減のため、 −カソード（１）はウェーネルト電極（２）と共に、ビーム軸（６）に対し てほぼ垂直方向にアノード（３）に対して相対的に移動可能であり、 −カソード（１）とアノード（３）との間に磁気的保護装置（７）が配置さ れており、該装置は、電子ビーム（６）の領域にて、ビーム軸に対してほぼ垂直 に延びている横方向静磁場を生成し、該磁場によっては、カソード（１）から到 来する電子ビーム（６）がビーム軸（５）のところから偏向せしめられ、ここで 、カソード（１）及びウェーネルト電極（２）は、電子ビーム（６）の偏向方向 に対（向）して次のようにずらされ（変位され）ており、及び ／又は、横方向磁界（９）の磁界強度が次のように選定されており、即ち、偏向 された電子ビーム（６）がアノード（３）の領域内で再びビーム軸（５）内を延 びるように、当該のずれ（変位）及び/又は当該の磁界強度の選定構成がなされ ていることを特徴とする電子ビーム発生装置。 ２．磁気的カソード保護装置（７）は、次のように構成されている、即ち、横方 向磁界（９）がカソード（１）の領域内で作用するように構成されている請求の 範囲１記載の装置。 ３．横方向磁界（９）の磁界強度は、カソード（１）の領域において最大値を有 し、次いで著しく低下し、そして、アノード（３）の領域にて小さい値を有する ことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の装置。 ４．磁気的カソード保護装置（７）は、ビーム軸（５）に対してセンタリングさ れてウェーネルト電極（５）に配置されていることを特徴とする請求の範囲１か ら３までのうちいずれか１項記載の装置。 ５．カソード（１）、ウェーネルト電極（２）及び磁気的保護装置（７）は、真 空室内で、移動可能な１つの構成ユニット（８）を成し、該構成ユニットは、真 空室外に設けられている操作素子によって位置定め可能であることを特徴とする 請求の範囲１から４までのうちいずれか１項記載の装置。 ６．磁気的カソード−保護装置（７）は、２つのＵ字状の磁極片（１２）から成 り、該磁極片の脚部は、相対向し、相互に離隔し合っており、それにより空隙（ エアギャップ）（１４ａ，１４ｂ）が形成されており、 −第１の空隙（エアキャップ）（１５）内に、永久磁石（１５）が設けられ ており、該永久磁石は、第２空隙（エアキャップ）（１４ｂ）外に漏洩磁界（１ ７）を有する磁界（１６）を生じさせ、 −磁気的カソード保護装置（７）は、次のように配置されており、即ち、ビ ーム軸（５）が磁界（６）に対して垂直方向に第２空隙（エアキャップ）（１４ ｂ）を通って延び、ここで、漏洩磁界（１７）は、横方向磁界（９）を成すこと を特徴とする請求の範囲１から５までのうちいずれか１項記載の装置。 ７．磁極片（１２）は、軟鉄から成ることを特徴とする請求の範囲６記載の装置 。 ８．永久磁石（１５）は、その磁気的特性が温度安定性である磁気材料からなる ことを特徴とする請求の範囲６又は７記載の装置。